最小流量調(diào)節(jié)閥性能數(shù)值模擬分析

　　采用CFD 軟件對(duì)研發(fā)的最小流量閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，得到了閥內(nèi)壓力、速度、振動(dòng)和噪聲的情況。分析結(jié)果表明，迷宮式節(jié)流閥芯通過(guò)多級(jí)轉(zhuǎn)彎流道實(shí)現(xiàn)逐級(jí)穩(wěn)定降壓，能夠有效的限制流速上升過(guò)快，防止由于壓力突變引起的閃蒸、氣蝕及沖蝕、振動(dòng)和噪聲的損害。

1、概述

　　超( 超) 臨界( USC) 火電機(jī)組給水泵最小流量調(diào)節(jié)閥工作在高溫、高壓和高壓差的惡劣工況下，受氣蝕、沖刷、振動(dòng)和噪聲等影響嚴(yán)重。本文介紹了研制的最小流量調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并采用計(jì)算流體力學(xué)( CFD) 軟件對(duì)閥內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬仿真實(shí)驗(yàn)和分析，獲得了閥內(nèi)部壓力與速度分布和振動(dòng)與噪聲關(guān)系。對(duì)單層迷宮盤(pán)片內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了深入的研究分析，揭示了迷宮式閥芯降壓節(jié)流的原理。

2、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　150Tz668Y-450W 型最小流量調(diào)節(jié)閥( 圖1)主要由閥體、閥座、節(jié)流盤(pán)、迷宮式閥芯、閥蓋、閥桿等部件組成。閥內(nèi)采用的迷宮式多級(jí)降壓節(jié)流組件是由多個(gè)迷宮式盤(pán)片采用特殊工藝制成的一體化結(jié)構(gòu)，每一層單獨(dú)的盤(pán)片上都由電火花刻蝕出多級(jí)拐彎的類(lèi)似迷宮狀的流道，流體在迷宮流道中曲折流動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)逐步穩(wěn)定降壓、限制流速上升過(guò)快，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為可以從而減輕流體對(duì)閥內(nèi)件的沖刷，有效地防止閃蒸及氣蝕危害，延長(zhǎng)使用壽命。

3、仿真計(jì)算流程

　　3.1、建立流道模型

　　利用SolidWorks 三維實(shí)體建模軟件，對(duì)閥腔內(nèi)部流道建立了流道模型( 圖2，圖3) 。整體模型由外部閥腔流道，內(nèi)部閥芯流道以及迷宮式盤(pán)片流道三部分裝配組成。

1. 閥蓋2. 閥桿3. 迷宮閥芯4. 節(jié)流盤(pán)5. 閥座6. 閥體

圖1 最小流量調(diào)節(jié)閥

圖2 閥內(nèi)流道模型

圖3 單層盤(pán)片流道模型

　　3.2、計(jì)算網(wǎng)格劃分

　　流道模型網(wǎng)格由ICEM - CFD 軟件劃分生成( 圖4) 。最小流量調(diào)節(jié)閥內(nèi)腔形狀和流動(dòng)狀態(tài)十分復(fù)雜，采用四面體/混合網(wǎng)格的方式，與自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法生成閥內(nèi)流動(dòng)區(qū)域貼體網(wǎng)格。為了計(jì)算結(jié)果更加精確，對(duì)每一層迷宮盤(pán)片中的拐彎流道分別進(jìn)行了加密處理。

4、數(shù)值模擬計(jì)算及結(jié)果

　　選取實(shí)際運(yùn)行工況中最為苛刻的一種，介質(zhì)為高溫水，其入口溫度為138 ～ 187℃，介質(zhì)平均密度為903. 9 kg /m3，邊界條件設(shè)置為壓力進(jìn)口和壓力出口，進(jìn)口壓力為41. 3MPa，出口壓力為1. 3MPa，閥門(mén)開(kāi)度為67. 1 %。在定常及不可壓縮條件下，對(duì)流道模型中的流動(dòng)在Fluent 中進(jìn)行數(shù)值模擬求解。

圖4 單層迷宮盤(pán)片網(wǎng)格

　　4.1、壓力場(chǎng)分析

　　通過(guò)求解得到閥內(nèi)流場(chǎng)的壓力分布情況( 圖5，圖6) 。閥門(mén)進(jìn)口、出口及中間閥芯流道壓力分布均勻，中心流道壓力最低。迷宮流道中流體由外側(cè)流至內(nèi)側(cè)，入口處壓力最大，出口壓力最小，呈現(xiàn)出逐級(jí)下降的趨勢(shì)，壓力下降速率均勻，較好的達(dá)到了分段逐級(jí)降壓的預(yù)期效果。

圖5 Z = 0mm 截面壓力分布( Pa)

圖6 y = 253mm 水平截面壓力分布云圖( Pa)

　　4.2、速度場(chǎng)分析

　　通過(guò)求解得到流場(chǎng)速度分布( 圖7，圖8) 。閥門(mén)內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，致使速度分布不均勻。閥內(nèi)整體流速較低，在拐角區(qū)域存在明顯的低速區(qū)，迷宮盤(pán)片內(nèi)流速由外側(cè)入口向內(nèi)側(cè)出口逐級(jí)穩(wěn)定上升，最大流速多發(fā)生在流道拐彎處。整體上流速呈現(xiàn)出平緩上升的態(tài)勢(shì)，得到了有效的控制。

圖7 Z = 0mm 截面速度分布( m /s)

圖8 y = 253mm 水平截面上速度分布云圖( m /s)

　　4.3、盤(pán)片降壓限速分析

　　迷宮盤(pán)片8 條流道呈中心對(duì)稱排列，取其中的單個(gè)流道建立模型進(jìn)行深入分析。得出迷宮流道內(nèi)壓力與速度局部放大圖( 圖9，圖10) 。從流道入口面開(kāi)始，每隔五級(jí)拐彎測(cè)定流道截面平均壓力與平均速度，繪制成盤(pán)片內(nèi)部壓力及速度曲線( 圖11) 。

圖9 迷宮流道壓力場(chǎng)局部放大圖( Pa)

圖10 迷宮流道速度場(chǎng)局部放大( m /s)

由分析結(jié)果得出，盤(pán)片流道中的流體幾乎每經(jīng)過(guò)一級(jí)轉(zhuǎn)彎流道，壓力就比較均勻的下降一個(gè)等級(jí)，下降多級(jí)拐彎將整體上一次大壓降分解為多次的小壓降，將壓力突變改為壓力漸變，使流體壓力均保持在飽和蒸汽壓Pv以上，能夠有效的避免閃蒸和空化現(xiàn)象的發(fā)生，防止氣蝕損害。流速分布比較均勻，在接近出口處后半段流道內(nèi)流速上升相對(duì)較快。經(jīng)測(cè)算盤(pán)片內(nèi)部流道平均流速V = 25. 1m /s，入口面平均流速V1 = 16. 65 m /s，出口面平均流速V2 =28. 42m /s，在30m /s 的限制范圍之內(nèi)，表明多級(jí)拐彎迷宮式盤(pán)片能夠取得良好的限速作用，減輕振動(dòng)及噪聲危害。

圖11 盤(pán)片內(nèi)部壓力及速度曲線

　　4.4、噪聲分析

　　調(diào)節(jié)閥( 工作介質(zhì)為液體) 的噪聲主要是流體流過(guò)閥門(mén)節(jié)流區(qū)產(chǎn)生高壓降，引起介質(zhì)流速變大，產(chǎn)生湍流和渦流，導(dǎo)致閥體振動(dòng)劇烈、噪聲嚴(yán)重，此類(lèi)噪聲也稱為液體動(dòng)力噪聲。高壓差下調(diào)節(jié)閥液體動(dòng)力噪聲往往會(huì)超過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的限制值。對(duì)調(diào)節(jié)閥所產(chǎn)生的液體噪聲進(jìn)行理論預(yù)測(cè)，能為相關(guān)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供參考。

　　以迷宮盤(pán)片單流道每一級(jí)前后的壓力大小，為最小流量調(diào)節(jié)閥噪聲的預(yù)測(cè)提供相關(guān)數(shù)據(jù)。以第一級(jí)計(jì)算為例，其進(jìn)口壓力41. 3MPa，出口壓力40. 0MPa，飽和蒸汽壓為PV = 476kPa，壓力恢復(fù)系數(shù)FL = 0. 85，質(zhì)量流量q = 151. 99kg /s，管道壁厚tp= 4. 35mm，主要如表1 所示。

　　通過(guò)計(jì)算可得迷宮盤(pán)片第一級(jí)輻射總聲壓級(jí)為59. 17dB。其他各級(jí)采用同樣的計(jì)算方法。迷宮盤(pán)片共55 級(jí)。最后對(duì)不同級(jí)數(shù)總聲壓疊加，LpAe，1m為

　　通過(guò)疊加計(jì)算得出最小流量調(diào)節(jié)閥在閥體下游1m 處輻射噪聲的總聲壓級(jí)為71. 65dB(A) ，滿足標(biāo)準(zhǔn)GBJ 87 - 1985 對(duì)噪聲90dB( A) 的要求，故針對(duì)此工況下可以采用多級(jí)降壓迷宮盤(pán)片。

表1 迷宮盤(pán)片第一級(jí)噪聲理論計(jì)算

5、結(jié)語(yǔ)

　　采用CFD 軟件對(duì)150Tz668Y - 450W 型最小流量調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行三維湍流數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果表明，多級(jí)降壓迷宮盤(pán)片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

　　(1) 在40MPa 的高壓差條件下，由特殊結(jié)構(gòu)的多層迷宮式盤(pán)片疊加組成的迷宮式降壓節(jié)流閥芯能夠使流體在多級(jí)拐彎流道中逐漸消耗能量，實(shí)現(xiàn)分段多級(jí)降壓，限制流速過(guò)快的預(yù)期目的。將常規(guī)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的壓力突變改變?yōu)閴毫�漸變，能有效地防止和減輕閃蒸氣蝕的危害。

　　(2) 借助CFD 計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)閥內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，能夠較為準(zhǔn)確地獲得流場(chǎng)內(nèi)部各個(gè)位置的壓力、速度等流動(dòng)參數(shù)并進(jìn)行分析。采用CFD 軟件輔助設(shè)計(jì)可以加快研發(fā)周期，減少研制成本，為最小流量閥的研究提供參考，為該產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化方案實(shí)施奠定一定的基礎(chǔ)。

　　(3) 從噪聲預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果中可得出各種參數(shù)對(duì)液體動(dòng)力噪聲的影響，其中壓差和速度的影響最大，速度越高，噪聲越大。壓差越大，噪聲越大。